毕业设计(论文)基于单片机的步进电机的控制器设计.doc
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1、2012届毕业生毕业设计说明书题 目: 基于单片机的步进电机的控制器设计 院系名称: 信息科学与工程学院 专业班级: 电子信息科学与技术08级02班 学生姓名: 学 号:指导教师: 教师职称: 副教授 2012年 05月 20日摘 要步进电机控制方式的实现有多种,可以采用电子电路控制,PLC控制和单片机控制。但是电子电路控制步进电机灵活度不高,PLC控制不能在高频率下进行,控制精度小。而随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测的更新,用单片机控制步进电机显得更加灵活和方便。本设计是用AT89C52单片机作为核心部件进行逻辑控制及信号产生,用单片机技术和C语言编程设计来
2、进行步进电机的控制。通过人手动按开关实现步进电机的启动与停止。此外此系统还添加了步进电机的正转反转,加速及减速,屏幕显示功能。同时本文也通过了proteus软件的仿真,在仿真结果中能看出近似真实的效果。整个系统采用模块化设计,结构简单可靠,通过按键控制操作方便节省成本。关键词:步进电机 单片机控制 AT89C52 proteus仿真 Title The design of the control system of Stepmotor AbstractThe step motor control has a lot of kinds.such as Electronic circuit con
3、trol, PLC control and microprocessor controlled .But the flexibility of the electronic circuit to control stepper motor, PLC control at high frequencies, a small control accuracy. With the rapid development of science and technology, the application of SCM is constantly in-depth, at the same time le
4、d the update of the traditional control tests with SCM stepper motor control is more flexible and convenient.This paper describes a core component of the AT89C52, as the signal generated by logic control and microcontroller technology and assembly language programming designed stepper motor control
5、system, Start and stop of the stepping motor to handle the switch manually by people. In addition, this system also adds a stepper motor forward reverse, acceleration and deceleration, the screen display. Meanwhile, through software simulation in proteus, too can be seen that the approximation of th
6、e true effect of the simulation results.Keywords stepper motor microcontroller AT89C52 proteus simulation目 次摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外研究现状11.3 课题主要研究内容和要求22 步进电机常见的控制方案论证32.1 基于电子电路的控制32.2 基于PLC的控制32.3 基于单片机的控制43 系统硬件设计53.1 控制电路53.2 最小系统63.3 驱动电路73.4 显示电路103.5 总体电路图114 系统软件设计134.1 软件设
7、计分析134.2 主程序设计135 仿真与调试165.1 仿真调试的操作步骤165.2 仿真结果16总结20致谢21主要参考文献22附录241 绪论1.1 课题研究的目的和意义电机是工业发展不可缺少的一大要素,在工业生产中有着重要的作用。随着科技的发展,电机在控制领域的适用范围越来越广。步进电机是一种开环控制的电机,它不需要反馈电路。它是纯粹的数字控制电动机,它将电脉冲信号变成角位移,当给它一个电脉冲时,它就转动一个步进脚。步进电机的运转具有很好的精准性,它按照固定的角度旋转,我们可以通过控制电脉冲频率来控制电机的转速。近30年来,电子,计算机,永磁材料的快速发展,推动了步进电机的发展,因此步
8、进电机的应用有着广阔的前景。步进电机有以下特点:(1)步进电机的角位移与输入脉冲成正比,没有累计误差。(2)步进电机与驱动电路组成的系统,简单而又廉价。(3)易于控制,能快速启动和停止,方便控制方向和转速。(4)步进电机不能直接使用交流直流电源。由于步进电机能够精准定位和方便调速,它被广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,使步进电机的控制发生了很大的变革。步进电机的明显优势被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中,例如复印机,传真机,软盘驱动器等,同时步进电机也在军用仪器,通信和雷达设备,摄影系统,光电组合装置,以及许多航天工业的系统中得到应用。因此对步进电机的研究深为重
9、要。1.2 国内外研究现状步进电机虽然最早有国外人发明和使用的,但是在中国很早的时候已经得到使用了。早在文革时期,中国的江浙,四川,南京等地都有生产和应用。当时步进电机驱动电路的所有半导体器件,例如逻辑运算电路,电容耦合计数器,触发器等国内都可以完全自主生产。步进电机在国外的应用主要是低功率场合,例如工业设备,打印机,传真机,软盘驱动器,监视摄像头,游戏机和医疗设备。由于现代科技的迅速发展,在国外步进电机在驱动方面的应用逐渐被代替。目前日本是步进电机最大的生产国,如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和NPM公司等。世界上步进电机生产最好的公司是日本东方公司,性能,质量。生产方法都是一
10、流的。每年日本的步进电机销量达3亿台。国内七十年代后期,步进电机广泛应用于卫星和雷达场合。那时候就生产出来圆形力矩电机。但是在一些高质量控制应用中,我们还不能使用步进电机。到了八十年代国内已经掌握了步进电机的细分控制。这种控制要简单的多。 经过多年的发展,步进电机功能更加强大,种类也很繁多。步进电机以它显著的优点在工业生产和自动化控制中占据着不可动摇的地位。伴随着科技的发展,步进电机将在更多的领域内应用。1.3 课题主要研究内容和要求本设计采用单片机AT89C52来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件。所选的步进电机是四相五线的,由于步进电机需要高功率驱动,单片机不能与步进电机直接相连,
11、因此我们需要采用了电机驱动芯片ULN2003连接步进电机和单片机。为了显示步进电机转速,我用一个两位数码管来显示速率。再加上一些独立按键来实现步进电机调速,改变转向的功能。这样就构成了一个基本的步进电机控制系统。系统的具体功能和要求如下:1.单片机最小系统的设计;2.独立按键实现步进电机的启停、加速、减速、正转、反转的控制;3.能实现步进电机的转速调节,最低转速为1转/min,最高转速为19转/min;4.步进电机的转速由数码管显示。2 步进电机常见的控制方案论证2.1 基于电子电路的控制 由于步进电机受电脉冲控制,因此要求电脉冲信号的产生,放大全部依靠电子元件来实现。而步进电机需要较大的功率
12、,而电子电路产生的功率较弱,所以必须设计功率放大电路。此方法步进电机的控制系统包含以下三个部分:信号产生电路,信号分配电路,功率放大电路。如下图所示:图1.1基于电子电路控制系统此种方案成本低,设计简单,但是设计逻辑电路需要很多的电子元器件,电路很是复杂。如果我们想改变或者增加功能时,需要从新改变系统中的电路。这样显得灵活度不高。2.2 基于PLC的控制可编程逻辑控制器(plc)是新一代数字逻辑器件,它具有高集成度,高速度,高可靠性等明显的优点。它不但简化了电路设计,降低成本,也提高了系统的可靠性和保密性。用PLC来驱动步进电机,该系统包括以下三个部分PLC、脉冲分配器和步进电机驱动电路组成。
13、采用编程来实现脉冲信号,脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲给步进电机相应的接线口上,步进电机驱动电路主要是为了放大脉冲信号。图1.2基于plc控制系统由于PLC的扫描周期小,频率最高只能达到几百Hz,所以步进电机不能在高频条件下运行。并且在速度较高时,由于受到扫描周期的影响,相应的控制精度就降低了。2.3 基于单片机的控制 单片机控制步进电机实现了软件和硬件相结合的控制方式。该系统采用了单片机直接控制步进电机的各相驱动线路。由于单片机的强大功能,我们还可以设计大量的其他功能,例如独立按键控制转速,转向。加入数码管显示速度的等级。单片机对电机的控制有以下好处:(1)使电路更加简单,采用电子电路为了
14、实现控制逻辑需要很多电子元件,而单片机绝大多数的控制电路都可以通过软件实现。(2)可以实现较复杂的控制,单片机有更强的逻辑功能,运算速度快,精度高,有大量的存储单元。(3)灵活性和适应性,用单片机只需要改变程序就可以达到控制的要求。(4)无零点漂移,控制精度高。(5)可提供人际交换,多级联网工作。根据设计要求,采用的方案如下:硬件部分实现电机转动和速度显示功能,包括控制开关模块;电机转动模块和速度显示模块。软件部分实现对步进电机的控制功能,主要设计思想通过控制台控制程序的开关来控制电机的转动,由电机反馈回来的数据经单片机控制显示器显示数据。3 系统硬件设计本设计的硬件电路包括独立按键控制模块,
15、步进电机驱动模块,数码管显示模块和单片机最小系统四大部分。单片机最小系统由时钟电路和复位电路组成,保证单片机正常运行。独立按键控制模块由开关和按键组成,当按下按键时,该系统就按照该按键控制的功能运作。显示模块主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大,从而驱动电机转动。图3.1 系统总体结构框图3.1 控制电路根据系统的控制要求,控制输入部分设置了顺时针控制,逆时针控制,加速控制,减速控制和停止按键。控制电路如图2所示。当按下按键,内部程序检测P0.1-P0.4的状态变化来调用相应的启动和换向程序,从而实现系统的电机的启动和正反转控制。根据步进电机的工作原
16、理可以知道,步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率,从而控制电机的转速。对于单片机而言,主要的方法有:软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的,通过控制按键的开关和闭合改变速度值存储区中的数据(该数据为定时器的中断次数),这样就改变了步进电机的输出脉冲频率,从而改变了电机的转速。图3.2 控制电路原理图3.2 最小系统 单片机的最小系统一般由时钟电路和复位电路构成。通过时钟电路提供单片机各种微操作基准,通过复位电路使单片机片内存储器初始化。由下图可以看出,时钟电路是在引脚XTAL1和XTAL2外部接一个十二兆的晶振,同时在晶振的两脚分别接了22pf的
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